Распространение ультразвука - это процесс перемещения в пространстве и во времени возмущений, имеющих место в звуковой волне. Распространение ультразвука описывается волновым уравнением, которое для продольной волны имеет вид.


где   - оператор Лаплас.

p(x,y,z,t) - звуковое давление.

с - скорость звука.

Звуковая волна распространяется в веществе, находящемся в газообразном, жидком или твердом состоянии, в том же направлении, в котором происходит смещение частиц этого вещества, то есть она вызывает деформацию среды. Деформация заключается в том, что происходит последовательное разряжение и сжатие определенных объемов среды, причем расстояние между двумя соседними областями соответствует длине ультразвуковой волны. Чем больше удельное акустическое сопротивление среды, тем больше степень сжатия и разряжения среды при данной амплитуде колебаний.

Частицы среды, участвующие в передаче энергии волны, колеблются около положения своего равновесия. Скорость с которой частицы колеблются около среднего положения равновесия называется колебательной скоростью. Колебательная скорость частиц изменяется согласно уравнению.

V = U sin (2• p • f• t + G), где

V - величина колебательной скорости.

U - амплитуда колебательной скорости.

f - частота ультразвука.

t - время.

G - разность фаз между колебательной скоростью частиц и переменным акустическим давлением.

Амплитуда колебательной скорости характеризует максимальную скорость, с которой частицы среды движутся в процессе колебаний, и определяется частотой колебаний и амплитудой смещения частиц среды.

U = 2 · p · f· A, где А - амплитуда смещения частиц среды.

направление распространения волн.

---------------------------------------------------------------------------------------------------------> направление смещения части.

<-----------  ----------->  <-----------   ----------->  <-----------  ----------->  <-----------   ----------->

... . .  .  .   .    .  .  . . . ...... . . .  .  .   .    .  .  . . . ...... . . .  .  .   .    .  .  . . ....... . .  .  .   .   .   .  . . . ...

... . .  .  .   .    .  .  . . . ...... . . .  .  .   .    .  .  . . . ...... . . .  .  .   .    .  .  . . ....... . .  .  .   .   .   .  . . . ...

... . .  .  .   .    .  .  . . . ...... . . .  .  .   .    .  .  . . . ...... . . .  .  .   .    .  .  . . ....... . .  .  .   .   .   .  . . . ...

... . .  .  .   .    .  .  . . . ...... . . .  .  .   .    .  .  . . . ...... . . .  .  .   .    .  .  . . ....... . .  .  .   .   .   .  . . . ...

... . .  .  .   .    .  .  . . . ...... . . .  .  .   .    .  .  . . . ...... . . .  .  .   .    .  .  . . ....... . .  .  .   .   .   .  . . . ...

... . .  .  .   .    .  .  . . . ...... . . .  .  .   .    .  .  . . . ...... . . .  .  .   .    .  .  . . ....... . .  .  .   .   .   .  . . . ...

                           <---------------->
                                длина волн

Продольная волна

Скорость распространения ультразвуковых волн.

Ультразвуковые волны в тканях организма распространяются с некоторой конечной скоростью, которая определяется упругими свойствами среды и ее плотностью. Скорость звука в жидкостях и твердых средах значительно выше, чем в воздухе, где она приблизительно равна 330 м/с. Для воды она будет равна 1482 м/с при 20^оС. Скорость распространения ультразвука в твердых средах, например, в костной ткани, составляет примерно 4000 м/с.

Поглощение ультразвука.

Если среда в которой происходит распространение ультразвука, обладает вязкостью и теплопроводностью или в ней имеются другие процессы внутреннего трения, то при распространении волны происходит поглощение звука, то есть по мере удаления от источника амплитуда ультразвуковых колебаний становится меньше, так же как и энергия, которую они несут. Среда, в которой распространяется ультразвук, вступает во взаимодействие с проходящей через него энергией и часть ее поглощает. Преобладающая часть поглощенной энергии преобразуется в тепло, меньшая часть вызывает в передающем веществе необратимые структурные изменения. Поглощение является результатом трения частиц друг об друга, в различных средах оно различно. Поглощение зависит также от частоты ультразвуковых колебаний. Теоретически, поглощение пропорционально квадрату частоты.

Величину поглощения можно характеризовать коэффициентом поглощения, который показывает, как изменяется интенсивность ультразвука в облучаемой среде. С ростом частоты он увеличивается.

Под глубиной проникновения ультразвука понимают глубину при которой интенсивность уменьшается на половину. Эта величина обратно пропорциональна поглощению: чем сильнее среда поглощает ультразвук, тем меньше расстояние, на котором интенсивность ультразвука ослабляется наполовину.

Рассеяние ультразвука.

Если в среде имеются неоднородности, то происходит рассеяние звука, которое может существенно изменить простую картину распространения ультразвука и в конечном счете также вызвать затухание волны в первоначальном направлении распространения.

Отражение ультразвука.

На явлении отражения основана ультразвуковая диагностика. Отражение происходит в приграничных областях кожи и жира, жира и мышц, мышц и костей. Если ультразвук при распространении наталкивается на препятствие, то происходит отражение, если препятствие мало, то ультразвук его как бы обтекает. Неоднородности организма не вызывают значительных отклонений, так как по сравнению с длиной волны (2 мм) их размерами (0,1 - 0,2 мм) можно пренебречь. Если ультразвук на своем пути наталкивается на органы, размеры которых больше длины волны, то происходит преломление и отражение ультразвука. Наиболее сильное отражение наблюдается на границах кость - окружающие ее ткани и ткани - воздух. У воздуха малая плотность и наблюдается практически полное отражение ультразвука.

Бегущие и стоячие ультразвуковые волны.

Если при распространении ультразвуковых волн в среде не происходит их отражения, образуются бегущие волны. В результате потерь энергии колебательные движения частиц среды постепенно затухают, и чем дальше расположены частицы от излучающей поверхности, тем меньше амплитуда их колебаний. Если же на пути распространения ультразвуковых волн имеются ткани с разными удельными акустическими сопротивлениями, то в той или иной степени происходит отражение ультразвуковых волн от пограничного раздела. Наложение падающих и отражающихся ультразвуковых волн может приводить к возникновению стоячих волн. Для возникновения стоячих волн расстояние от поверхности излучателя до отражающей поверхности должно быть кратным половине длины волны.